JP2007336723A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束を増加させることができるとともに、構造が簡素であって、永久磁石固定を確実にして信頼性を向上させることができる回転電機の回転子を提供すること。
【解決手段】回転子は、励磁コイル２１と、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する爪状磁極部２２Ａ、２３Ａを有する一対のポールコア２２、２３と、隣接する２つの爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの間に配置された磁石２９とを備える。磁石２９を保持する磁石ホルダ本体３０Ａと、磁石ホルダ本体３０Ａの内径側において周方向に延伸した保持板３０Ｂとを有する磁石ホルダ３０が備わっている。磁石ホルダ本体３０Ａの外径を爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの外径とほぼ等しくするとともに、保持板３０Ｂを爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの内径側に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の内燃機関により駆動される車両用交流発電機等の回転電機の回転子に関する。

車両用交流発電機は、一般的に先端部分に複数のＮ極およびＳ極を持つ爪部を形成した一対の対向配置された爪状磁極部と、この爪状磁極部の内部に巻かれて爪状磁極部に磁化力を発生させる励磁巻線とを含んで構成されている回転子を有している。このような回転子において、車両用交流発電機の出力向上等を目的として、隣接する爪状磁極部間に永久磁石を装着する構造が知られている。具体的には、爪状磁極部の最外周部に周方向に延伸したつば部を設け、その内径側に永久磁石あるいはこれを保持する磁石保持器を配置する構造（例えば、特許文献１、２参照。）や、爪状磁極部間に配置された永久磁石を貫通するようにリング部を設けた構造（例えば、特許文献３参照。）や、爪状磁極部の側面に凹凸部を設けてこの凹凸部に永久磁石の保護カバーを係止する構造（例えば、特許文献４参照。）などが知られている。
特開平７−１２３６６４号公報（第４−７頁、図１−１３） 特開昭６１−８５０４５号公報（第２−３頁、図１−９） 特開平９−１６３７００号公報（第２−４頁、図１−６） 特開平１０−６６２８６号公報（第３−６頁、図１−８）

ところで、特許文献１、２に開示されたようなつば部を備えた構造では、隣接する爪状磁極部がつば部において接近するためこれらの間で磁束の漏れが発生するとともに、永久磁石から爪状磁極部を通って固定子鉄心に流れる磁束の磁路としてもつば部の分だけ長くなって磁気抵抗が増大するため、回転子から固定子に流れる有効磁束が減少するという問題があった。また、特許文献３に開示された構造では、複数の永久磁石をリング部を介して連結しており、連結するために構造が複雑になるという問題があった。さらに、特許文献４に開示された構造では、爪状磁極部の側面に形成する凹凸部の高さを十分に高くすることができないため永久磁石の固定の信頼性が低く、しかも隣接する爪状磁極部間の間隔にばらつきがあると信頼性がさらに低下するという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、磁束を増加させることができるとともに、構造が簡素であって、永久磁石固定を確実にして信頼性を向上させることができる回転電機の回転子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機の回転子は、励磁コイルと、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する爪状磁極部を有する一対のポールコアと、隣接する２つの爪状磁極部の間に配置された磁石とを備えており、磁石を保持する磁石ホルダ本体と、磁石ホルダ本体の内径側において周方向に延伸した保持板とを有する磁石ホルダを備え、磁石ホルダ本体の外径を爪状磁極部の外径とほぼ等しくするとともに、保持板を爪状磁極部の内径側に配置している。具体的には、上述した爪状磁極部の周方向の側面には段差部が形成されており、段差部に保持板を係止し、段差部よりも外径側に磁石ホルダを配置することが望ましい。あるいは、上述した磁石ホルダ本体の周方向の側面は、爪状磁極部の周方向の側面にほぼ全面が対向しており、保持板を爪状磁極部の内径側端面に係止することが望ましい。また、爪状磁極部の周方向の側面には溝部が形成されており、溝部に保持板を内包し、段差部よりも外径側に磁石ホルダを配置することが望ましい。

爪状磁極部につば部を設けないようにすることで磁石ホルダ本体の外径を爪状磁極部の外径とほぼ等しくすることができるため、磁石から爪状磁極部を通って固定子鉄心に流れる磁束の磁路を短くして磁気抵抗を減らすことができ、回転子から固定子に流れる有効磁束を増加させることができる。また、爪状磁極部につば部を設けないことで、隣接する爪状磁極部間の間隔を広げることができ、これらの間での磁束の漏れを減らすことにより上記有効磁束をさらに増加させることができる。また、爪状磁極部間に配置される磁石ホルダ同士や磁石同士を互いに連結する必要がないため、連結する場合に比べて構造を簡素化することができる。

また、上述した爪状磁極部は、磁石の径方向に沿った中央位置よりも外径側において、隣接する爪状磁極部間の間隔が最小となる最小隙間部を有し、磁石ホルダ本体の周方向幅は、最小隙間部よりも内径側において、最小隙間部の周方向間隔よりも大きいことが望ましい。これにより、磁石ホルダ本体と保持板の両方で磁石ホルダの径方向に沿った移動を制限することができ、固定の信頼性を高めることができる。

また、上述した保持板が磁石ホルダ本体から周方向に延伸する長さは、保持板の板厚の２倍よりも大きいことが望ましい。これにより、磁石ホルダに回転による遠心力が作用したときに保持板を爪状磁極部に確実に係止することができ、固定の信頼性をさらに向上させることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の回転電機としての車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側ハウジング４、リヤ側ハウジング５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。

回転子２は、回転方向に沿って交互にＮＳ磁極を形成する軸方向に折り曲げられた複数の爪状磁極部を有する一対のポールコア２２、２３と、これら一対のポールコア２２、２３の間に配置された磁石２９と、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した励磁コイル２１と、回転軸２４とを有する。また、フロント側（プーリ９側）のポールコア２２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式又は軸流式と遠心式を混合した冷却ファン２５が溶接（例えばプロジェクション溶接）によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコア２３の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。磁石２９の具体的な配置等については後述する。

回転軸２４のリヤ側には励磁コイル２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置６内のブラシ６１、６２をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、整流装置７から励磁コイル２１に対して励磁電流が流れるようになっている。

固定子３は、回転子２に対して対向配置された固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットに、三相の固定子巻線３２が所定間隔で巻装されている。整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２の出力電圧である三相交流を整流して直流出力を得るためのものであり、所定の間隔で固定される正極側放熱板および負極側放熱板と、それぞれの放熱板に半田付け等によって取り付けられた複数個の整流素子とを含んで構成されている。

フロント側ハウジング４およびリヤ側ハウジング５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転軸２４を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子２のポールコア２２、２３の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。

電圧調整器８は、励磁コイル２１に流す励磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２４の一方端（スリップリング２７等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリヤカバー９２が取り付けられている。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジンからの回転が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。このとき、励磁コイル２１に励磁電圧を印加することによりポールコア２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線３２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置７の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。

また、上述した回転子２の回転に伴って、一方のポールコア２２の端面に取り付けられた冷却ファン２５が回転するため、プーリ９側に設けられたフロント側ハウジング４の吸入口４４０を介して冷却風が車両用交流発電機１の内部に吸入され、この冷却風の軸方向成分によって励磁コイル２１が冷却されるとともに、径方向成分によって固定子巻線３２の前方のコイルエンドが冷却される。この冷却風はその後フロント側ハウジング４の吐出口４５０から排出される。

同様に、上述した回転子２の回転に伴って、他方のポールコア２３の端面に取り付けられた冷却ファン２６も回転するため、リヤカバー９２の吸入口を介して吸入された冷却風が、整流装置７あるいは電圧調整器８を冷却した後に、リヤ側ハウジング５の吸入口５４０を介して冷却ファン２６まで導かれ、この冷却風が径方向に排出されて、固定子巻線３２の後方のコイルエンドが冷却される。この冷却風はその後リア側ハウジング５の吐出口（図示せず）から排出される。

次に、回転子２に備わった磁石２９の詳細について説明する。図２は、回転子２の部分断面図（ポールコア２２、２３の合わせ面近傍における回転軸２４に垂直な向きの横断面図）であり、磁石２９の取り付け状態が示されている。また、図３は磁石２９を磁石ホルダに取り付けた状態を示す斜視図である。図４は、磁石ホルダの斜視図である。図５は、磁石２９単体の斜視図である。

図４に示すように、磁石ホルダ３０は、磁石２９を保持する磁石ホルダ本体３０Ａと、磁石ホルダ本体３０Ａの内径側（磁石ホルダ３０を回転子２に組み付けた状態における回転子２の内径側）において周方向に延伸した保持板３０Ｂとを有する。磁石ホルダ本体３０Ａは、内部が空洞の矩形断面の筒形状を有しており、空洞部分に磁石２９を内包するようになっている。

回転子２への磁石ホルダ３０の組み付けは図２に示す状態で行われる。図２に示すように、ポールコア２２、２３のそれぞれの爪状磁極部２２Ａ、２３Ａには、周方向幅（周方向に沿った幅）が変化する段差部２２Ｂ、２３Ｂが形成されている。爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの周方向側面は、これらの段差部２２Ｂ、２３Ｂを境界として、それより内径側の周方向幅が階段状に狭くなっている。なお、爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの周方向の側面は、段差部２２Ｂ、２３Ｂを除くとほぼ平坦（平面状）になっており、外径部近傍に径方向に突出したつば部は形成されていない。

磁石ホルダ３０の回転子２への取り付けは、磁石ホルダ３０の周方向に沿って突出する２つの保持板３０Ｂが、隣接する爪状磁極部２２Ａ、２３Ａのそれぞれの段差部２２Ｂ、２３Ｂと係合するように行われる。磁石ホルダ３０の周方向側面の形状は、爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの周方向の側面形状とほぼ一致しており、かつ、隣接する爪状磁極部２２Ａ、２３Ａ間の間隔が磁石ホルダ本体３０Ａの周方向幅とほぼ一致するように設定されている。

したがって、ほぼ平行な磁石ホルダ本体３０Ａの周方向の２つの側面に接するように爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの側面を配置することにより、磁石ホルダ３０の周方向位置が固定される。また、爪状磁極部２２Ａ、２３Ａのそれぞれの段差部２２Ｂ、２３Ｂに係合するように、磁石ホルダ３０の保持板３０Ｂを配置することにより、回転子２の回転時に磁石ホルダ３０の径方向位置が固定され、磁石ホルダ３０の遠心方向（外径側）への移動が制限される。なお、保持板３０Ｂが磁石ホルダ本体３０Ａから周方向に延伸する長さは、保持板３０Ｂの板厚の２倍よりも大きいことが望ましい。これにより、磁石ホルダ３０に回転による遠心力が作用したときに保持板３０Ｂを爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの段差部２２Ｂ、２３Ｂに確実に係止することができる。

また、このような取り付け状態において、磁石ホルダ本体３０Ａの外径が爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの外径とほぼ等しく（厳密には、磁石ホルダ本体３０Ａの外径が爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの外径と等しいか若干小さくなるように）設定されている。爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの外径部近傍につば部を設けずに磁石ホルダ本体３０Ａの外径を爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの外径とほぼ等しくすることにより、磁石２９から爪状磁極部２２Ａ、２３Ａを通って固定子鉄心３１に流れる磁束の磁路を短くして磁気抵抗を減らすことができ、回転子２から固定子３に流れる有効磁束を増加させることができる。また、爪状磁極部２２Ａ、２３Ａの外径部近傍につば部を設けないことで、隣接する爪状磁極部２２Ａ、２３Ａ間の間隔を広げることができ、これらの間での磁束の漏れを減らすことにより上記有効磁束をさらに増加させることができる。また、爪状磁極部２２Ａ、２３Ａ間に配置される磁石ホルダ３０同士や磁石２９同士を互いに連結する必要がないため、連結する場合に比べて構造を簡素化することができる。

図６は、磁石ホルダの変形例を示す斜視図であり、磁石２９を取り付けた状態が示されている。図７は、変形例の磁石ホルダ単体の斜視図である。図８は、磁石ホルダの側面図である。図９は、変形例の磁石ホルダを取り付けた回転子２の部分的な断面図である。

図９に示すように、変形例の磁石ホルダ１３０が取り付けられる回転子のポールコア１２２、１２３のそれぞれの爪状磁極部１２２Ａ、１２３Ａの周方向の側面には段差部は形成されておらず、これらの側面全体に対向する形状を有する磁石ホルダ１３０が用いられる。磁石ホルダ１３０は、断面がコの字型の磁石ホルダ本体１３０Ａと、磁石ホルダ本体１３０Ａの内径側（回転子の内径側）において周方向に延伸した保持板１３０Ｂとを有する。磁石ホルダ本体１３０Ａのそれぞれの側面は、爪状磁極部１２２Ａ、１２２Ｂの周方向の側面に全面が対向するように台形形状（台形の上底の長さｈ１が爪状磁極部１２２Ａ、１２３Ａの先端部の径方向に沿った幅に対応し、台形の下底の長さｈ２が爪状磁極部１２２Ａ、１２３Ａの根元部の径方向に沿った幅に対応する）を有しており、その中程に内側に凸となる溝部１３０Ｃが形成されている。この溝部１３０Ｃは、磁石２９の内径側への移動を制限するためのものである。保持板１３０Ｂは、爪状磁極部１２２Ａ、１２３Ａの内径側端面に係止される。

このような磁石ホルダ１３０Ａを用いることにより、図３等に示した磁石ホルダ３０を用いた場合と同様に、回転子２から固定子３に流れる有効磁束を増加させることができる。また、爪状磁極部１２２Ａ、１２３Ａの周方向の側面には段差部がないことから、ポールコア１２２、１２３の製造が容易となる。

図１０は、図３に示した磁石ホルダ３０と組み合わされるポールコアの変形例を示す図である。図２に示すポールコア２２、２３は、磁石ホルダ３０の保持板３０Ｂに対応する位置に段差部２２Ｂ、２３Ｂを有していたが、図１０に示す変形例のポールコア２２２、２２３は、周方向の側面を平坦（平面状）に形成するとともに、段差部２２Ｂ、２３Ｂに対応する位置に溝部２２２Ｂ、２２３Ｂを有している。この溝部２２２Ｂ、２２３Ｂは、磁石ホルダ３０の保持板３０Ｂを内包する形状を有しており、磁石ホルダ３０の径方向に沿った移動を制限することができる。

このようなポールコア２２２、２２３を用いることにより、図２に示したポールコア２２、２３と磁石ホルダ３０とを組み合わせて用いた場合と同様に、回転子２から固定子３に流れる有効磁束を増加させることができる。また、爪状磁極部２２２Ａ、２２３Ａの周方向の側面には段差部がないことから、ポールコア２２２、２２３の製造が容易となる。また、溝部２２２Ｂ、２２３Ｂは、溝部２２２Ｂ、２２３Ｂのないポールコアを製造した後に、後工程で容易に追加することが可能となる。

ところで、上述した説明では、爪状磁極部２２Ａ、２３Ａ等の周方向の側面が互いに平行な場合を図示したが非平行であってもよい。特に、磁石２９の径方向に沿った中央位置よりも外径側において、隣接する爪状磁極部間の間隔が最小となる最小隙間部を有するようにするとともに、磁石ホルダ本体の周方向幅を、この最小隙間部よりも内径側においてこの最小隙間部の周方向間隔よりも大きくすることが望ましい。図１１は、爪状磁極部間の間隔を最外径部（磁石２９の径方向に沿った中央位置よりも外径側）において最小とし、磁石ホルダ本体３３０Ａの周方向幅をこの最小の間隔よりも広くした変形例を示す図である。このような構造とすることにより、磁石ホルダ本体３３０Ａと保持板３３０Ｂの両方で磁石ホルダ３３０の外径方向への移動を制限することができ、固定の信頼性をさらに高めることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。 回転子の部分的な断面図である。 磁石を磁石ホルダに取り付けた状態を示す斜視図である。 磁石ホルダの斜視図である。 磁石単体の斜視図である。 磁石ホルダの変形例を示す斜視図である。 変形例の磁石ホルダ単体の斜視図である。 磁石ホルダの側面図である。 変形例の磁石ホルダを取り付けた回転子の部分的な断面図である。 図３に示した磁石ホルダと組み合わされるポールコアの変形例を示す図である。 磁石ホルダおよびポールコアの変形例を示す回転子の部分的な断面図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ フロント側ハウジング
５ リヤ側ハウジング
６ ブラシ装置
７ 整流装置
８ 電圧調整器
９ プーリ
２２、２３ ポールコア
２２Ａ、２３Ａ 爪状磁極部
２２Ｂ、２３Ｂ 段差部
２９ 磁石
３０ 磁石ホルダ
３０Ａ 磁石ホルダ本体
３０Ｂ 保持板

Claims (6)

1. 励磁コイルと、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する爪状磁極部を有する一対のポールコアと、隣接する２つの前記爪状磁極部の間に配置された磁石とを備える回転電機の回転子において、
   前記磁石を保持する磁石ホルダ本体と、前記磁石ホルダ本体の内径側において周方向に延伸した保持板とを有する磁石ホルダを備え、
   前記磁石ホルダ本体の外径を前記爪状磁極部の外径とほぼ等しくするとともに、前記保持板を前記爪状磁極部の内径側に配置することを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１において、
   前記爪状磁極部の周方向の側面には段差部が形成されており、前記段差部に前記保持板を係止し、前記段差部よりも外径側に前記磁石ホルダを配置することを特徴とする回転電機の回転子。
3. 請求項１において、
   前記磁石ホルダ本体の周方向の側面は、前記爪状磁極部の周方向の側面にほぼ全面が対向しており、前記保持板を前記爪状磁極部の内径側端面に係止することを特徴とする回転電機の回転子。
4. 請求項１において、
   前記爪状磁極部の周方向の側面には溝部が形成されており、前記溝部に前記保持板を内包し、前記段差部よりも外径側に前記磁石ホルダを配置することを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記爪状磁極部は、前記磁石の径方向に沿った中央位置よりも外径側において、隣接する前記爪状磁極部間の間隔が最小となる最小隙間部を有し、
   前記磁石ホルダ本体の周方向幅は、前記最小隙間部よりも内径側において、前記最小隙間部の周方向間隔よりも大きいことを特徴とする回転電機の回転子。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記保持板が前記磁石ホルダ本体から周方向に延伸する長さは、前記保持板の板厚の２倍よりも大きいことを特徴とする回転電機の回転子。
   

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